JPH0429012B2 - - Google Patents

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JPH0429012B2
JPH0429012B2 JP60165231A JP16523185A JPH0429012B2 JP H0429012 B2 JPH0429012 B2 JP H0429012B2 JP 60165231 A JP60165231 A JP 60165231A JP 16523185 A JP16523185 A JP 16523185A JP H0429012 B2 JPH0429012 B2 JP H0429012B2
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JP
Japan
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diffraction grating
diffraction
wave
diffracted
light
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JP60165231A
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Japanese (ja)
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JPS6225212A (en
Inventor
Junji Ito
Toshihiko Kanayama
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
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Publication of JPH0429012B2 publication Critical patent/JPH0429012B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、互いに極めて近接した重合関係にあ
る第一、第二の物体間にあつて、該重合方向とは
直交する面内方向においての物体相互の相対変位
量を可干渉性波動の回折、干渉現象を利用して測
定するための装置に関し、特に微小寸法オーダで
の相対変位量をも高精度で測定可能にするための
改良に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention is directed to a first and a second object having a polymerization relationship in close proximity to each other, in an in-plane direction perpendicular to the polymerization direction. The present invention relates to a device for measuring the amount of relative displacement between objects using diffraction of coherent waves and interference phenomena, and particularly relates to an improvement that enables the amount of relative displacement on the order of minute dimensions to be measured with high precision.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

縦または横に重ねられた二物体間の相対変位量
を測定するにも、その手法自体には昔から実に
様々なものがあるが、ミクロン・オーダからサ
ブ・ミクロン・オーダにも及ぶような微小変位量
を高精度で測定することを目的としたものは意外
に少ない。
There have been many different methods for measuring the relative displacement between two objects stacked vertically or horizontally, but it is possible to measure the relative displacement between two objects stacked vertically or horizontally. There are surprisingly few devices that aim to measure displacement with high precision.

特に、二物体のいずれにも直接に光源やレンズ
を投載することができないばかりか、それら二物
体間の重合離間距離が数十μm程度というように
極めて近接しているため、それらの間にもレンズ
や絞りを始め、一切の光学部品を挿入することが
できないような条件下では、従来において唯一使
用可能と思える手法は、D.C.Flanders他により、
公知文献:Appl.phys.Lett.;31(1977)426に
て発表された方法くらいしかなかつた。
In particular, not only is it not possible to directly project a light source or lens onto either of the two objects, but the superposition distance between the two objects is extremely close to each other, with the distance between them being on the order of several tens of micrometers. Under conditions where it is not possible to insert any optical components, including lenses and apertures, the only conventional method that seems to be usable is the method described by DCFlanders et al.
Publicly known literature: There was only one method published in Appl. phys. Lett.; 31 (1977) 426.

この方法は、第5図にその原理を示すように、
第一物体o1と第二物体o2が微小な距離zだけ離
れて重ねられている場合(ここでは上下の縦重ね
で示してある)、各物体o1,o2に回折格子Da,Db
のみを設けることで、それらによる波動の回折、
干渉現象を利用し、当該重合方向とは直交する面
内方向xに合う両物体o1,o2の相対変位量を測
定しようとするもので、これら両回折格子Da
Dbのピツチ乃至格子定数dは共に同じとされて
おり、その面内方向の幅寸法も同程度とされてい
る。
As the principle of this method is shown in Figure 5,
When the first object o1 and the second object o2 are stacked apart from each other by a small distance z (shown here as vertically stacked vertically), each object o1, o2 has a diffraction grating D a , D b
By providing only
The purpose is to measure the relative displacement of both objects o1 and o2 in the in-plane direction x perpendicular to the superimposition direction by using the interference phenomenon, and these two diffraction gratings D a ,
The pitch or lattice constant d of D b is the same, and the width in the in-plane direction is also about the same.

このような構造によつて相対変位量を測定する
ためには、第一、第二のいづれかの回折格子Da
Dbに対し、原則として入射角零で(すなわち法
線方向に沿つて)外部から可干渉性波動iを入
射させる。可干渉性波動として代表的なものはコ
ヒーレント光である。第5図の場合には、図中、
下側に示されている回折格子Daに対し、その下
方から可干渉光Iiを入射するように示されている
ので、これに従うと、入射光Iiは当該入射光から
見て初段となる当該第一の回折格子Daにより回
折され、その次数に応じて定まるそれぞれの回折
角方向に複数の出射光群を生ずる。
In order to measure the amount of relative displacement with such a structure, either the first or second diffraction grating D a ,
In principle, a coherent wave i is incident on D b from the outside at an incident angle of zero (that is, along the normal direction). A typical example of coherent waves is coherent light. In the case of Figure 5, in the figure,
The diffraction grating D a shown below is shown as having coherent light I i incident on it from below, so if you follow this, the incident light I i will be the first stage from the perspective of the incident light. The first diffraction grating D a generates a plurality of outgoing light groups in respective diffraction angle directions determined according to the order of the first diffraction grating D a .

図中には簡単のため、法線方向に対し、上記し
た格子定数d、入射光波長λ、そして次数“1”
にしたがつて定まる回折角±θの方向に出射され
た一次の回折光a +a -と、回折されなかつた
入射光、すなわち零次の回折光aoのみが示さ
れているが、もちろん、実際には上記の通り、さ
らに高次の回折光も含まれる。なお、便宜的に法
線方向に対し、図面上での右回転を正方向“+”、
左回転を負方向“−”として置く。
For simplicity, the figure shows the above-mentioned lattice constant d, incident light wavelength λ, and order “1” in the normal direction.
Only the first-order diffracted lights a + and a - emitted in the direction of the diffraction angle ± θ determined according to In fact, as mentioned above, higher-order diffracted light is also included. For convenience, clockwise rotation on the drawing with respect to the normal direction is expressed as positive direction "+",
Set left rotation as negative direction “-”.

初段ないし第一の回折格子Daの上記各出射光
成分は、次いで第二の回折格子Dbに入射される。
The respective emitted light components of the first stage or first diffraction grating D a are then incident on the second diffraction grating D b .

その結果、この第二の回折格子Dbについても
同様の回折現象が生じ、従つて、先と同様、第一
回折格子Daから与えられる入射光a +a -
oに関し、それを回折した一次及び零次の回折
光に限つて図示しても、第二の回折格子Dbの法
線方向に対し、+θ方向には第一の回折格子によ
つてのみ回折された出射光a +、第二の回折格子
Dbによつてのみ回折された出射光b +、そして
両回折格子Da,Dbの双方によつて順次回折され
た出射光a,b +の群が生じ、逆に、負の回折角方
向−θには、第一の回折格子Daによつてのみ回
折された出射光a -、第二の回折格子Dbによつ
てのみ回折された出射光b -、そして両回折格子
Da,Dbによつて順次回折された出射光a,b -の群
が生ずる。
As a result, a similar diffraction phenomenon occurs for this second diffraction grating D b , and therefore, as before, the incident light a + , a - , given from the first diffraction grating D a
Regarding a o, even if the diagram is limited to the first-order and zero-order diffracted lights that diffracted it, the +θ direction is only affected by the first diffraction grating with respect to the normal direction of the second diffraction grating D b . Diffracted outgoing light a + , second diffraction grating
Outgoing light b + is diffracted only by D b , and outgoing light a, b + is sequentially diffracted by both diffraction gratings D a and D b . In the direction −θ, the outgoing light a − is diffracted only by the first diffraction grating D a , the outgoing light b is diffracted only by the second diffraction grating D b , and the outgoing light b is diffracted only by the second diffraction grating D b .
A group of emitted lights a,b - is generated which are sequentially diffracted by D a and D b .

そこで、ここで挙げている従来法では、以上の
ように第二回折格子Dbの法線方向に対して±θ
で規定される二方向に出射される出力光成分群
を、正負でそれぞれまとめて正方向出力光Ip +
負方向出力光p -とし、それぞれを図示しない適
当な光検出器で捕えて両者の強度差(Ip +p -
を取ることにより、その変化分に基づき、両物体
o1,o2の相対変位量を測定するようにしていた。
Therefore, in the conventional method mentioned here, ±θ is applied to the normal direction of the second diffraction grating D b as described above.
The output light component groups emitted in two directions defined by are collectively defined as positive direction output light I p + and negative direction output light p - respectively, and each is captured by an appropriate photodetector (not shown) and both are detected. intensity difference (I p +p )
Based on the change, both objects are
The relative displacement of o1 and o2 was measured.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

しかるに、上記公知文献による従来法では、
回折角θに関する正負両出力光Ip +,Ip -の光強度
差(Ip +−Ip -)の変化は、単にx方向の(面内方
向の)相対変位のみならず、両物体o1,o2間の
距離差zにも大きく依存してしまう欠点がある。
これは例えば、第5図において回折光a +b +
とを見比べると分かるように、当該正負各回折角
方向への出力光Ip +,Ip -の成分中に、それぞれ当
該物体間距離zに基づいて光路差を有する光成分
が混入してくるがためである。
However, in the conventional method according to the above-mentioned known literature,
The change in the light intensity difference (I p + -I p -) between the positive and negative output lights I p + and I p - with respect to the diffraction angle θ is not only due to the relative displacement in the x direction (in-plane direction) but also due to the There is a drawback that it depends greatly on the distance difference z between o1 and o2.
For example, in Fig. 5, this means that the diffracted beams a + and b +
As can be seen from the comparison, light components having optical path differences based on the distance z between the objects are mixed into the components of the output light I p + and I p - in the directions of the positive and negative diffraction angles. It's for a reason.

のみならず、既述のように回折角θに関する正
負各出力光Ip +,Ip -中には原理的に高次の回折光
成分も含まれ、さらには第5図中、仮想線で示す
ように、第二回折格子Dbで反射回折された回折
成分rが再び第一回折格子Daに入射し、そこで
また反射回折されて第二回折格子Dbに戻り、何
回かこれを繰返した後、正負両出力光成分中に混
入するという多重反射メカニズムも生起するの
で、そうした複雑な成分関係の影響を逃れ得ず。
そのため、上記の光路差の存在という事実とあい
まつて、出力光強度差(Ip +−Ip -)とx方向相対
変位量とは、単に物体間の距離zをパラメータと
して含むだけでなく、極めて複雑な関数関係とな
つてしまうのである。
In addition, as mentioned above, the positive and negative output lights I p + and I p - with respect to the diffraction angle θ also in principle contain higher-order diffracted light components, and furthermore, in Fig. 5, the imaginary line indicates As shown, the diffraction component r that was reflected and diffracted by the second diffraction grating D b enters the first diffraction grating D a again, where it is reflected and diffracted again and returns to the second diffraction grating D b . After repetition, a multiple reflection mechanism occurs in which the light is mixed into both the positive and negative output light components, making it impossible to avoid the effects of such complex component relationships.
Therefore, together with the fact that the above-mentioned optical path difference exists, the output light intensity difference (I p + -I p - ) and the amount of relative displacement in the x direction not only include the distance z between the objects as a parameter, but also This results in an extremely complex functional relationship.

したがつて仮に、ある特定の距離zに関しては
この関数形が解析可能であつたとしても、距離z
が少しでも変われば、それは何の意味もなくなつ
てしまい、例えば第一物体o1が半導体基板乃至
半導体ウエハであつて、第二物体o2が当該基板
表面上に電子回路を構築するために付けたり外し
たり、良く取替えられるリソグラフイ用マスクで
あるような場合、当該各種のマスクにそれぞれ同
一特性の回折格子Dbを個別に形成して置くこと
と自体は容易であつても、それらを使う前には必
ず、基板o1に対してその重合方向の位置決めを
厳格になす必要が出てしまう。これでは到底、実
用化は期待し得ず、現に実用化されたとの報告も
ない。
Therefore, even if this functional form is analyzable for a certain distance z, the distance z
If there is even a slight change in the value, it becomes meaningless; for example, if the first object o1 is a semiconductor substrate or semiconductor wafer, and the second object o2 is attached to the surface of the substrate to construct an electronic circuit, etc. In the case of lithography masks that are often removed or replaced, it may be easy to individually form diffraction gratings D b with the same characteristics on each type of mask, but it is difficult to use them before using them. In this case, it becomes necessary to strictly position the substrate o1 in the direction of polymerization. With this, there is no hope that it will be put into practical use, and there are no reports that it has actually been put into practical use.

特に、上記した通り、仮想線で示された反射回
折成分rに基づいて多重に反射、往復を繰返す
現象を生ずるということはかなり大きな問題とな
る。例えば、両物体o1,o2を極めて近接させた
状態でその重合方向の寸法変動を仮に僅かに抑え
るようにできたとしても、多重反射を繰返すとい
うことはこの変動分を増幅してしまうことになる
からである。
Particularly, as mentioned above, the phenomenon of multiple reflections and repeated back and forth movements based on the reflected diffraction component r indicated by the imaginary line is a rather serious problem. For example, even if it were possible to suppress the dimensional variation in the direction of superposition by placing both objects o1 and o2 extremely close together, repeating multiple reflections would amplify this variation. It is from.

さらに、最終的な出力光Ip +,Ip -はそれぞれ別
個な光強度検出器により検出しなければならない
ので、例えば既述のように、物体o2が半導体基
板ないし半導体ウエハであつて、物体o1がその
リソグラフイ・マスクであるような場合には、リ
ソグラフイ・マスクo1の上の空間領域に占める
検出系の面積が増し、望ましくないし、第一、こ
のような場合には、第5図に示されているよう
に、光源と検出器とを二物体o1,o2の上下外側
に振り分けて配置することはできない。半導体基
板ないし半導体ウエハo2は、一般にこれを物理
的に支持するホルダの上に載つているからであ
る。
Furthermore, since the final output lights I p + and I p - must be detected by separate light intensity detectors, for example, as mentioned above, if the object o2 is a semiconductor substrate or a semiconductor wafer, If o1 is the lithographic mask, the detection system occupies an area of space above the lithographic mask o1, which is undesirable. As shown in , it is not possible to separately arrange the light source and the detector on the upper and lower outer sides of the two objects o1 and o2. This is because the semiconductor substrate or semiconductor wafer o2 is generally placed on a holder that physically supports it.

本発明はこのような諸点に鑑みて成されたもの
で、互いの相対変位量を測定すべき二物体相互が
極めて近接しており、それらの間に一切、光学部
品を挿入することができない状況にあり、しか
も、これら二物体の重合方向のどちらか一方の外
側にのみしか光源や波動強度検出器を配置できな
い条件が課せられていても、上記した公知文献
に関して詳述した欠点を持つことなく、簡単な構
成でありながら原理的に二物体間の重合方向距離
依存性がなく、高精度で相対変位量測定が可能と
なる装置を提供せんとするものである。
The present invention was developed in view of these points, and is applicable to situations where two objects whose relative displacements are to be measured are extremely close to each other, and no optical components can be inserted between them. Moreover, even if a condition is imposed in which a light source or a wave intensity detector can only be placed outside of one of these two objects in the direction of superposition, it will not have the drawbacks detailed in the above-mentioned known literature. It is an object of the present invention to provide a device which has a simple configuration, has no dependence on the distance in the direction of superposition between two objects in principle, and is capable of measuring the amount of relative displacement with high precision.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記公知文献による従来例の欠点は、最終的
に検出の対象となる出力光Ip +,Ip -の各々に、異
なる長さの光路を辿つてきた成分が混在している
こと、特に第一、第二回折格子間で多重に反射、
往復した複数の波動が全て最終的な出力波動に重
畳してくること、そして、零次からm次(mは整
数)に亘る複数の回折次数成分のそれぞれに関し
てこのような光路差の問題を生み易いということ
等に起因している。
The disadvantage of the conventional example according to the above-mentioned known documents is that each of the output lights I p + and I p - , which are ultimately the targets of detection, contains components that have followed optical paths of different lengths, especially the Multiple reflections between the first and second diffraction gratings,
All of the multiple waves that have traveled back and forth are superimposed on the final output wave, and this creates the problem of optical path differences for each of the multiple diffraction order components ranging from the 0th order to the mth order (m is an integer). This is due to the fact that it is easy to use.

これに対し、もし仮に、第一の回折格子Da
ら出射される全ての次数の回折光成分の中、何等
かの適当なる光学系により、特定の次数の波動を
のみ、予め抽出、選択してから、これを第二の回
折格子Dbに与えることができれば、上記の欠点
は緩和する。実際、相対変位量測定の対象となる
二物体が重合方向において相当に離れている場合
には、例えば特公昭50−23617号公報の第2図に
示されているように、当該第一、第二物体間に特
定次数の選択、抽出のための光学系を介挿するこ
とで第二の回折格子に入射させる前に他の次数成
分の影響を排除するという手法を採用することが
できる。
On the other hand, if we were to extract and select in advance only the waves of a specific order from among all the orders of diffracted light components emitted from the first diffraction grating D a , using some suitable optical system. If this can then be applied to the second diffraction grating D b , the above disadvantages will be alleviated. In fact, when two objects to be measured for relative displacement are quite far apart in the direction of superimposition, the first and second objects are By interposing an optical system for selecting and extracting a specific order between two objects, it is possible to adopt a method of eliminating the influence of other order components before making the light incident on the second diffraction grating.

しかし、公知文献や本発明が対象としている
ように、第一、第二の物体間が極めて近接してい
るような場合には、上記した通り、これらの間に
こうした特定次数の選択、抽出手段を配置し得な
いだけではなく、仮に極く微細な光学系部品を入
手することができて、これを第一、第二物体間に
物理的には配置できたとしても、それによつて第
一回折格子から出力された回折光に関し特定次数
の選択、抽出を行うことはやはり困難である。
However, in cases where the first and second objects are extremely close to each other, as is the object of the known literature and the present invention, as described above, there is no need to select or extract a specific order between them. Not only is it not possible to arrange the It is still difficult to select and extract a specific order of the diffracted light output from the diffraction grating.

何故ならば、先に挙げた半導体基板ないし半導
体ウエハとそのリソグラフイ・マスクとの関係の
ように、それらの間の重合方向離間距離がたかだ
か数十μm程度であるような場合には、第一の回
折格子を出た出力波動は球面波から平面波になり
切らない中に第二の回折格子に到達してしまうこ
とがあり、そうであると、このこと自体は公知の
理論から明らかなように、実現可能な範囲で如何
ような光学系を用いるにしろ、特定次数の回折波
を幾何学的に規定することは不能に近いからであ
る。
This is because, as in the relationship between a semiconductor substrate or a semiconductor wafer and its lithography mask mentioned above, when the distance between them in the superposition direction is at most several tens of μm, the first The output wave that leaves the diffraction grating may reach the second diffraction grating before it changes from a spherical wave to a plane wave, and if this is the case, this itself is clear from the known theory. This is because it is nearly impossible to geometrically define the diffracted waves of a specific order, no matter what kind of optical system is used within the practical range.

そこで本発明は、上記目的達成のため、第一、
第二の物体がそれらの間に光学部品を配置し得な
いか、配置しても特定次数抽出には無駄となる程
に近接している場合、つまりは第一回折格子から
出力される回折光が平面波になり切らない中に第
二の物体に設けられている第二の回折格子に入射
してしまうような場合にあつても、結果として波
動強度検出器においては重合方向距離変化に伴う
悪影響は受けることなく、特に第一、第二回折格
子間での多重反射の影響から逃れることができ
て、面内方向の相対変位量に関しての高精度な測
定が可能となる構成として、 第一の物体に設けられている第一の回折格子
を、それぞれに可干渉性波動が所定の幅に亙つ
て照射されるが、互いには面内方向に沿つて離
間した第一、第二の有効回折部分から構成した
上で、 第二の物体に設けられる第二の回折格子は第
一の回折格子より幅狭であつて平面投影的に見
て第一の回折格子の第一、第二有効回折部分の
間の離間領域と重なる第二の物体上の領域部分
の全部または少なくともその面内方向中央を含
む一部を占めるように形成し、 一方、波動強度の検出器は、第二の回折格子
により回折、反射された後、第一の回折格子の
第一、第二有効回折部分の間の離間領域を抜け
て出力されてくる波動を受信する位置に設ける
ことを提案する。
Therefore, in order to achieve the above object, the present invention has the following objectives:
If the second object is so close that an optical component cannot be placed between them, or even if it is placed, it is useless for extracting a specific order, that is, the diffracted light output from the first diffraction grating Even if the wave is incident on the second diffraction grating provided on the second object before it becomes a plane wave, as a result, the wave intensity detector will experience an adverse effect due to the change in the distance in the direction of superimposition. The first configuration is one that can avoid the influence of multiple reflections between the first and second diffraction gratings, and can perform highly accurate measurements of the amount of relative displacement in the in-plane direction. A first diffraction grating provided on an object is irradiated with a coherent wave over a predetermined width, but first and second effective diffraction portions are separated from each other along the in-plane direction. The second diffraction grating provided on the second object is narrower than the first diffraction grating and has first and second effective diffraction portions of the first diffraction grating when viewed from a plane projection. The wave intensity detector is formed by a second diffraction grating to occupy all or at least a part of the area on the second object that overlaps with the spaced area between them, including the center in the in-plane direction. It is proposed that the diffraction grating be provided at a position to receive the wave that is diffracted and reflected and then outputted through a spaced region between the first and second effective diffraction portions of the first diffraction grating.

〔作 用〕[Effect]

上記構成の本発明装置によれば、上記構成要件
により位置決めされた第二の回折格子に対し、
上記構成要件による第一回折格子の第二有効回
折部分を透過し、それらによつて回折されて入射
してくる波動は、その次数によらず、すなわち、
特に特定次数にのみ選択されることがなくても
(実際には既述の通り選択したくても不能に近い
が)、いずれもその位相においては対称的に第二
回折格子に入射することができる。そしてこの対
称性は、第一、第二物体間が重合方向に変化して
も保たれるため、結局はそうした重合方向の変化
分は、面内方向の変化分に対して波動強度検出器
が検出する強度には影響しない。
According to the device of the present invention having the above configuration, for the second diffraction grating positioned according to the above configuration requirements,
The wave that passes through the second effective diffraction portion of the first diffraction grating according to the above configuration requirements, is diffracted by them, and enters the wave, regardless of its order, that is,
Even if it is not selected only for a specific order (actually, as mentioned above, even if you want to select it, it is almost impossible), it is possible for each order to be symmetrically incident on the second diffraction grating at that phase. can. Since this symmetry is maintained even if the distance between the first and second objects changes in the direction of overlapping, the wave intensity detector will eventually detect the change in the direction of overlap as compared to the change in the in-plane direction. It does not affect the detected intensity.

特に、本発明の上記構成要件〜を少なくと
も満たす限り、設計的な寸法条件を種々勘案する
ことで、第一、第二回折格子間で多重に反射回折
を繰返す波動成分は波動強度検出器に入力させな
いようにできる。公知文献による場合には、如
何ように寸法条件等を設計しても、この多重反
射、回折成分の混入は原理的に防ぎ得なかつたの
と大いに異なる点である。
In particular, as long as the above-mentioned structural requirements of the present invention are satisfied, by taking into consideration various design dimensional conditions, the wave components that are repeatedly reflected and diffracted between the first and second diffraction gratings are input to the wave intensity detector. You can prevent it from happening. This is very different from the case according to the known literature, where no matter how the dimensional conditions and the like are designed, the incorporation of multiple reflections and diffraction components cannot be prevented in principle.

また、上記構成要件に認められるように、波
動強度検出器は単一のもので良く、しかも、その
配置位置は、第一回折格子を入射波動が照射する
側と同じ側とすることができる。そのため、例え
ば第二回折格子の設けられている第二の物体は半
導体基板ないしは半導体ウエハであつて、これが
適当なるホルダにより支持されているがため、当
該基板ないしウエハの裏面側には一切、何等の光
学系をも配置できないような場合にも、本発明は
有効に使用することができる。波動強度検出器の
数も原理的には一つでも良く、その分簡単で、検
出系の占有面積も小さな測定装置が得られる。
Further, as recognized in the above configuration requirements, a single wave intensity detector may be used, and the wave intensity detector can be placed on the same side as the first diffraction grating irradiated with the incident wave. Therefore, for example, since the second object on which the second diffraction grating is provided is a semiconductor substrate or a semiconductor wafer, and this is supported by a suitable holder, there is nothing on the back side of the substrate or wafer. The present invention can be effectively used even in cases where even an optical system cannot be arranged. In principle, the number of wave intensity detectors may be just one, which makes it possible to obtain a measuring device that is simpler and occupies a smaller area for the detection system.

なお、本発明装置においては、第一回折格子と
第二回折格子との間に次数選択手段を用いていな
いのにもかかわらず、第一回折格子の第一、第二
有効回折部分と第二回折格子との配置関係や寸法
関係、さらには各格子定数等を設計的に適選する
ことにより、結果としては各回折格子が回折する
複数次数の回折波動成分の中、望ましくない次数
の波動成分を最終的に波動強度検出器に与えられ
る波動中から排斥することができるが、場合によ
つては、入射波動が各回折格子を零次で回折して
きたような成分とか、あるいは物体をそのまま透
過してきたような成分、すなわち実質的に入射波
動そのものとも言えるような透過成分が最終的な
信号波動に重畳してくることを特に妨げない。
Note that in the device of the present invention, although no order selection means is used between the first diffraction grating and the second diffraction grating, the first and second effective diffraction portions of the first diffraction grating and the second By appropriately selecting the arrangement relationship with the diffraction grating, the dimensional relationship, and each grating constant, etc., the result is that undesirable order wave components among the multiple orders of diffraction wave components diffracted by each diffraction grating. can be excluded from the waves finally given to the wave intensity detector, but in some cases, the incident wave may contain components that have been diffracted by each diffraction grating at the zero order, or components that have passed through the object as they are. There is no particular hindrance to superimposing such a component as described above, that is, a transmitted component that can essentially be said to be the incident wave itself, on the final signal wave.

このような場合にあつても、物体間距離がそれ
程離れていない時等には、何等差支えがないこと
もあり、また入射波動強度を別途に検出して位相
整合しながら引き算する等、公知既存の技術によ
り、その重畳成分を電気的に弁別できるような別
途の検出系を設ければ、本発明装置はそのまま有
効に使用することができる。
Even in such a case, if the distance between the objects is not that far, there may be no problem, and existing methods such as detecting the incident wave intensity separately and subtracting it while matching the phase may be used. If a separate detection system capable of electrically discriminating the superimposed components is provided using the technique described above, the apparatus of the present invention can be used effectively as is.

しかし、特殊な場合には、この透過成分の強度
が大き過ぎて信号波動を完全にマスキングしてし
まつたり、あるいはまた信号波動に位相変調を掛
けてしまつた結果、問題が生ずることも考えられ
る。そのような場合には、もちろん、当該重畳成
分の発生を抑止するか、発生したものは除去する
ことが望ましいが、これは後の実施例中に認めら
れるように、第一、第二の有効回折部分にのみ、
局部的に入射波動を与えるか、それらの間の部分
を適当なマスクで覆いながら第一回折格子を全面
照射するという手法を採用すれば、当然、第一、
第二有効回折部分の間の部分を介して次段へ零次
回折で伝わる波動成分は初めから発生することが
ないようにできる。
However, in special cases, problems may occur if the intensity of this transmitted component is too large and completely masks the signal wave, or if phase modulation is applied to the signal wave. . In such a case, of course, it is desirable to suppress the generation of the superimposed component or remove the generated one, but as will be seen in the later examples, this is the first and second effective method. Only in the diffraction part,
If we adopt a method of applying incident waves locally or irradiating the entire surface of the first diffraction grating while covering the area between them with an appropriate mask, it is natural that the first,
Wave components that are transmitted to the next stage by zero-order diffraction through the portion between the second effective diffraction portions can be prevented from being generated from the beginning.

いずれにしても、第5図に即して説明した公知
文献に開示の装置に認められるように、所定面
積内に一連に溝が切られた通常の非分割型回折格
子だけでは、如何ような設計をなしても高次回折
波動や反射回折波動の入射を避けられないが、本
発明におけるように、第一回折格子を第一、第二
有効回折部分から成る分割型の回折格子とする
と、この分割型回折格子とそれに対向する非分割
型第二回折格子の配設関係や幅寸法、各格子定数
を適当に設計するだけで、そうした高次回折波動
成分や反射回折によるノイズ成分は有効に除くか
低減することができる。
In any case, as seen in the device disclosed in the known document described with reference to FIG. Although the incidence of higher-order diffraction waves and reflected diffraction waves cannot be avoided even with good design, if the first diffraction grating is a split type diffraction grating consisting of first and second effective diffraction parts as in the present invention, By simply designing the arrangement, width dimensions, and grating constants of this segmented diffraction grating and the non-segmented second diffraction grating that faces it, these higher-order diffraction wave components and noise components due to reflected diffraction can be effectively eliminated. can be eliminated or reduced.

また、回折格子を第一、第二有効回折部分に分
割する手法自体は、本発明がこれを直接に規定す
るものではなく、公知既存の技術によつて良い。
簡単には先に述べたように、通常の回折格子の特
定部分にのみ、局部的に入射波動を与えるように
したり、逆に全面照射によることを予定して特定
部分以外をマスクで覆つたりして良く、あるいは
また、面内方向に離間した二領域に個別的に回折
格子溝を切ることにより、構造的にも完全に分離
された第一、第二有効回折部分としても良い。構
造的に分離する場合には、その間を最終的に抜け
て行く波動が波動検出器により受信されるので、
反射の問題は一層良く低減されるし、当該波動の
強度低下をも抑えることができ、信号対雑音比
(S/N)を向上する上でも有利となる。
Further, the method itself of dividing the diffraction grating into first and second effective diffraction parts is not directly defined by the present invention, and any known existing technology may be used.
Simply put, as mentioned earlier, it is possible to locally apply incident waves only to a specific part of a normal diffraction grating, or conversely, to plan for full-surface irradiation and cover the area other than the specific part with a mask. Alternatively, by individually cutting diffraction grating grooves in two regions spaced apart in the in-plane direction, the first and second effective diffraction portions may be completely separated from each other in terms of structure. In the case of structural separation, the wave that ultimately passes through the gap is received by the wave detector, so
The problem of reflection is further reduced, and the reduction in the intensity of the wave can also be suppressed, which is advantageous in improving the signal-to-noise ratio (S/N).

また、上記要旨構成では、可干渉性の波動であ
ればその呼称乃至周波数を問うていない。そのた
め、光領域の波長を持つ波動であることが最も一
般的ではあるが、マイクロ・ウエーブや音波等で
あつても、適当な発振源や位相調整手段の援用に
よりコヒーレンシイを得ることができれば、本発
明で利用する回折現象が生じ得るので、これらで
あつても良い。ただし、本願要旨構成中に言うよ
うに、前提条件として、第一、第二物体間の重合
方向離間距離は、第一回折格子を出た回折光が平
面板となり切らない中に第二回折格子に到達する
程、短くなつている必要はある。これは、先にも
述べたように、用いる波動が光であるような場合
には、X線リソグラフイにおける半導体基板とリ
ソグラフイ・マスクとの関係のように、両物体の
離間距離は数十μmオーダとなるが、もつて長い
波長領域では、当然のことながらもつと大なる離
間距離まで許される。
Further, in the above summary structure, as long as the wave is coherent, its name or frequency does not matter. Therefore, although waves with wavelengths in the optical region are most common, if coherency can be obtained with the aid of appropriate oscillation sources and phase adjustment means even with micro waves and sound waves, Any of these may be used since the diffraction phenomenon utilized in the present invention may occur. However, as stated in the summary of this application, as a prerequisite, the separation distance between the first and second objects in the superimposition direction is such that the second diffraction grating is set so that the diffracted light exiting the first diffraction grating does not form a flat plate. It needs to be short enough to reach . As mentioned earlier, when the wave used is light, the distance between the two objects is several tens of tens of meters, as in the relationship between a semiconductor substrate and a lithography mask in X-ray lithography. This is on the order of μm, but in a long wavelength range, a large separation distance is naturally allowed.

なお、結果として波動強度検出器が検出の対象
とする波動は、光強度の高い一次の回折波動であ
ることが有効である。これもまた、測定のための
信号対雑音比(S/N)を上げる作用を営む。
Note that as a result, it is effective that the wave to be detected by the wave intensity detector is a first-order diffraction wave with high optical intensity. This also serves to increase the signal-to-noise ratio (S/N) for measurements.

〔実 施 例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例につき詳記するが、まず
第1図及び第2図に示されている実施例は、本発
明の実施例の中でも最も基本的な実施例の一つと
考えられるものである。
Embodiments of the present invention will be described in detail below. First, the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 is considered to be one of the most basic embodiments of the present invention. be.

先の従来例の説明は場合と異なり、都合によつ
て第一物体o1の方が上に示されているが、これ
ら第一、第二の実施例では、この第一物体o1に
設けられる回折格子Daにあつて、面内方向に距
離Sだけ離間した二つの幅領域W1,W2が、そ
れぞれ第一、第二の有効回折部分Da-1,Da-2
して規定される領域となつている。
The description of the previous conventional example differs from the case in that the first object o1 is shown at the top for convenience, but in these first and second embodiments, the diffraction pattern provided on the first object o1 is In the grating D a , two width regions W1 and W2 separated by a distance S in the in-plane direction are defined as first and second effective diffraction portions D a-1 and D a-2, respectively. It's summery.

この規定の仕方には、先に作用の項にて述べた
ように幾つかあるが、第1図中にはまず二つの手
段が、そして第2図中にはもう一つの手段が、そ
れぞれ示されている。
There are several ways to specify this, as mentioned above in the section on effects, but first two means are shown in Figure 1, and the other means is shown in Figure 2. has been done.

一つは、第一、第二の実施例に共通に言えるこ
とだが、当該幅領域W1,W2にのみ、可干渉性
波動Ii,Iiを局部照射することであり、他の一つ
は、同様に第1、第2図に共通して仮想線で示す
ように、離間領域Sの上方にマスク手段MXを設
け、全面照射された入射波動Iiもこのマスク手段
MXのある所では照射が妨げられ、もつて実質的
に当該マスク手段MXの平面投影した両側の部分
にそれぞれ幅W1,W2の第一、第二有効回折部
分Da-1,Da-2ができるようにすることである。
One, which can be said in common to the first and second embodiments, is to locally irradiate coherent waves I i and I i only to the width regions W1 and W2, and the other , Similarly, as shown by the imaginary line in both FIGS. 1 and 2, a masking means MX is provided above the separated region S, and the incident wave I i that is irradiated on the entire surface is also covered by this masking means.
The irradiation is blocked at a certain part of MX, so that first and second effective diffraction portions D a-1 and D a-2 of widths W1 and W2 are formed substantially on both sides of the mask means MX when projected onto the plane. The goal is to be able to do this.

これに加えて、あるいはこれらに代えて、第2
図中に示されているように、第一、第二の有効回
折部分Da-1,Da-2を構造的にも完全に分離した
領域、すなわち別個独立に回折溝を切つた領域と
して形成しても良い。
In addition to or in place of these, a second
As shown in the figure, the first and second effective diffraction portions D a-1 and D a-2 are structurally completely separated regions, that is, regions in which diffraction grooves are cut separately and independently. It may be formed.

いずれによるにしても、このように分離型とさ
れた第一回折格子Daに対し、第一、第二の実施
例において図中、下側に示されている第二物体
o2に形成される回折格子Dbは、通常の回折格子
であつて、本発明で用いる分割型との対比で言え
ば、非分割型回折格子と観念できるものである。
ただし、この第二の回折格子Dbは、第一の回折
格子Daよりも幅狭であつて、平面投影的に見て
(すなわち、上から透かし見た場合)、第一の回折
格子の第一、第二有効回折部分Da-1,Da-2の間
の離間領域Sと重なる第二の物体上の領域部分の
全部を占めるか、または少なくともその面内方向
中央を含む一部を占めるように形成されているこ
とが必要である。
In any case, with respect to the first diffraction grating D a that is separated in this way, the second object shown at the bottom in the figure in the first and second embodiments is
The diffraction grating D b formed at o2 is a normal diffraction grating, and can be considered as a non-divided type diffraction grating in comparison with the divided type used in the present invention.
However, this second diffraction grating D b is narrower than the first diffraction grating D a and is smaller in width than the first diffraction grating when viewed from a plane projection (that is, when viewed through the top). A part that occupies the entire area on the second object that overlaps with the separated area S between the first and second effective diffraction parts D a-1 and D a-2 , or at least a part that includes the center in the in-plane direction. It is necessary that the structure be formed so as to occupy the area.

しかるに、両回折格子Da(Da-1,Da-2),Db
格子周期dをここではひとまず、同一とし、入射
波動Iiとしては波長λのコヒーレント光を利用す
るものとして、こうした幾何的配設関係下にある
回折格子群の第一回折格子Daに当該コヒーレン
ト光Iiを局部照射するか、またはマスク手段MX
を援用して全面照射すると、まず初段の回折格子
Daにて回折現象が生じ、その第一有効回折部分
Da-1が回折角+θ方向に回折した回折光、望ま
しくは一次回折光a-1 +と、第二有効回折部分
Da-2が回折角−θ方向に回折した、同様に望ま
しくは一次の回折光a-2 -が、実効入射成分とし
て次段かつ終段としての非分割型回折格子Db
入射するようにできる。ただ、これは結果として
波動検出器DT,DT′(後述)に有効に入射する波
動成分についてそのようにすることができる旨、
述べているのであつて、本発明装置においては明
らかなように、第一、第二有効回折部分Da-1
Da-2と第二回折格子Dbとの間に他の光学部品に
よる特定次数の波動の選択、抽出手段を設けるも
のではない。逆に、第一、第二の物体o1,o2は
先に述べたように、数十μmオーダで近接してい
ることを予定しており、したがつて、第二回折格
子Dbに入射するまでに第一、第二有効回折部分
Da-1,Da-2からの検出波動は平面波にはなり切
れないので、仮にこれら両物体間に何等かの極く
微細な光学系を挿入し得たとしても、それによつ
て特定次数を規定することは極めて困難である。
However, assuming that the grating periods d of both diffraction gratings D a (D a-1 , D a-2 ) and D b are the same for now, and coherent light of wavelength λ is used as the incident wave I i , Either the coherent light I i is locally irradiated onto the first diffraction grating D a of the diffraction grating group under such geometrical arrangement, or the mask means MX
When the entire surface is irradiated with the aid of
A diffraction phenomenon occurs at D a , and its first effective diffraction part
D a-1 is the diffracted light diffracted in the diffraction angle + θ direction, preferably the first-order diffracted light a-1 + , and the second effective diffraction part
D a-2 is diffracted in the direction of diffraction angle -θ, which is also preferably first-order diffracted light a-2 - , so that it enters the non-split diffraction grating D b as the next and final stage as an effective incident component. Can be done. However, as a result, this can be done for the wave components that are effectively incident on the wave detectors DT and DT' (described later).
As is clear from the device of the present invention, the first and second effective diffraction portions D a-1 ,
No means for selecting or extracting waves of a specific order using other optical components is provided between D a-2 and the second diffraction grating D b . On the other hand, as mentioned earlier, the first and second objects o1 and o2 are expected to be close to each other on the order of several tens of micrometers, and therefore, they will be incident on the second diffraction grating D b . First, second effective diffraction part
The detected waves from D a-1 and D a-2 cannot become plane waves, so even if some kind of extremely fine optical system could be inserted between these two objects, it would be possible to detect a specific order. It is extremely difficult to define.

このような事情の下でも、本発明によると、図
で着目している二つの回折光a-1 +a-2 -は当
該次段の回折格子Db上に周期d/2の干渉縞を作
り、この回折格子Dbにてさらに回折されること
により、出力光sを形成することができる。換
言すれば、本発明の場合、回折光a-1 +a-2 -
が平面波であるか否かにはかかわらず、上記の干
渉縞を形成することができる。
Even under such circumstances, according to the present invention, the two diffracted lights a-1 + and a-2 - focused on in the figure form interference fringes with a period of d/2 on the next-stage diffraction grating D b . is further diffracted by this diffraction grating D b to form output light s. In other words, in the case of the present invention, the diffracted lights a-1 + , a-2 -
The above interference fringes can be formed regardless of whether or not the wave is a plane wave.

このようにして得られる出力光sは適当なる
光検出器DTで電気信号に変換して取り出すこと
ができるが、その強度は、上記干渉縞と回折格子
Dbとの相対変位xに対し、cos2(2πx/d)に比例
するものとなり、変位xがd/2、変化する度に極
大または極小値を示すものとなる。
The output light s obtained in this way can be converted into an electric signal and extracted by a suitable photodetector DT, but its intensity is determined by the interference fringes and the diffraction grating.
The relative displacement x with respect to D b is proportional to cos 2 (2πx/d), and each time the displacement x changes by d/2, it shows a maximum or minimum value.

したがつて、当該極大値または極小値発生の数
を数えれば、少なくとも分解能d/2での物体o1,
o2間の相対変位量を粗測定することができるし、
上記のように関数形が極めて単純なので、それを
適当な閾値で分解していくことにより、相当に細
かな分解能での測定を可能とすることができる。
単純な関数形が得られるというのは、第1図や第
2図に示されるような本発明に従う構成では、物
体o1,o2間の距離zが測定しても、第二回折格
子Db上に形成される干渉縞の位置は変化しない
からである。
Therefore, if we count the number of occurrences of the local maximum or minimum value, at least the object o1 at resolution d/2,
It is possible to roughly measure the relative displacement between o2,
As mentioned above, since the function form is extremely simple, by decomposing it using an appropriate threshold value, it is possible to perform measurements with considerably fine resolution.
The fact that a simple functional form can be obtained means that in the configuration according to the present invention as shown in FIGS. 1 and 2, even if the distance z between objects o1 and o2 is measured, the This is because the position of the interference fringes formed in the image does not change.

また特に、仮に第二の回折格子Dbにて一次あ
るいはそれ以上の次数の反射回折が生じ、それが
第一回折格子に戻されたとしても、第二回折格子
Dbの幅寸法Wo等を第一回折格子Daより幅狭な範
囲で適当に取ることにより、さらに反射回折され
てくる光成分はその入射を受けないようにするこ
とも容易にできる。もつとも、あまりに第二回折
格子の幅が狭いと、出力回折光の強度が大きく低
下したり、物体間の重合方向離間距離の許容変化
幅が狭くなつたりするので、それら要因のトレー
ド・オフも実際の設計にあたつては考慮の要があ
るかも知れない。また、この反射回折光の出力光
への混入確率ということからすれば、第1図のも
のに比し、第2図の実施例の方が有利である。第
一、第二有効回折部分Da-1,Da-2の間の離間領
域Sにはその反射回折を生ずる余地が全くないか
らである。
In particular, even if first-order or higher-order reflection diffraction occurs at the second diffraction grating D b and is returned to the first diffraction grating, the second diffraction grating
By appropriately setting the width Wo of D b within a narrower range than the first diffraction grating D a , it is possible to easily prevent the reflected and diffracted light component from being incident thereon. However, if the width of the second diffraction grating is too narrow, the intensity of the output diffracted light will drop significantly, and the allowable range of change in the separation distance in the superimposition direction between objects will become narrower, so it is difficult to make trade-offs between these factors in practice. This may need to be taken into consideration when designing. Furthermore, in terms of the probability of the reflected diffracted light being mixed into the output light, the embodiment shown in FIG. 2 is more advantageous than the embodiment shown in FIG. 1. This is because there is no room for reflection diffraction to occur in the separated region S between the first and second effective diffraction portions D a-1 and D a-2 .

さらに、出力光は、上記では説明のため、第1
図及び第2図中に併示されているように、終段の
回折格子Dbの透過回折光Isについて述べたが、本
発明では、第二回折格子Dbの反射回折による出
力光Is′に限定するものである。
Furthermore, in the above description, for the sake of explanation, the output light is
As shown in both the figure and FIG . s ′.

すなわち、これを仮想線の検出器DT′で示すよ
うに、第一回折格子Daの第一、第二有効回折部
分の間の離間領域Sに設けられている回折格子部
分を零次透過回折した部位(第1図)か、または
第一物体o1の当該離間領域Sを透過した部位
(第2図)で出力されてくる波動(この場合、光)
を捕えることに限定する。つまり、図示実線で示
されている検出器DTは、実際にはそこに配し得
ない用途が多く考えられるからである。第二物体
o2が半導体基板ないし半導体ウエハであるよう
な場合には、その底面はホルダ等により支持され
ていることが多く、そうであれば、検出器DTを
設ける余地はない。これに対し、第二回折格子に
よる反射検出光を捕えるようにすれば、第一回折
格子への入射光Iiの光源と当該検出器DT′とを同
じ側に配置でき、装置構成は極めてめて簡単にな
る。しかも、本発明の場合には、原理的に検出器
DT′の数は一つでも良いので、小型にまとめるこ
とができる。
That is, as shown by the virtual line detector DT', the diffraction grating portion provided in the spaced region S between the first and second effective diffraction portions of the first diffraction grating D a is subjected to zero-order transmission diffraction. Waves (in this case, light) are output from the part of the first object o1 that has passed through the separated region S (Fig. 1) or the part of the first object o1 that has passed through the separated region S (Fig. 2).
limited to capturing. In other words, the detector DT shown by the solid line in the figure may have many uses where it cannot actually be placed there. second object
When o2 is a semiconductor substrate or a semiconductor wafer, its bottom surface is often supported by a holder or the like, and in that case, there is no room for providing a detector DT. On the other hand, if the reflected detection light is captured by the second diffraction grating, the light source of the incident light I i to the first diffraction grating and the detector DT' can be placed on the same side, and the device configuration can be extremely precise. It becomes easier. Moreover, in the case of the present invention, in principle the detector
Since the number of DT′ may be just one, it can be made compact.

もつとも、第1図に示される実施例の場合に
は、反射回折による出力光Is′は、第一の回折格
子の非有効回折部分とすべき離間部分Sを通過す
るに際し、そこで回折された結果、検出器DT′に
入射する恐れもあり、そのような場合には検出器
DT′と同じ側で当該検出器DT′と第一物体との間
に図示しないレンズ系を挿入する等して出力光と
の分離を図らねばならないことも考えられるが、
第2図に示される実施例の場合には、少なくとも
その間の部分Sには全く回折格子がないので、そ
こでの回折という問題は生ぜず、その分、有利で
あるし、出力光の強度低下を招かない点でも具合
が良く、信号対雑音比(S/N)の向上にも継があ
る。
However, in the case of the embodiment shown in FIG. 1, the output light I s ' due to reflection diffraction is diffracted there when passing through the spaced apart part S which should be the ineffective diffraction part of the first diffraction grating. As a result, there is a risk that the light may enter the detector DT′, and in such a case, the detector
It may be necessary to separate the output light by inserting a lens system (not shown) between the detector DT' and the first object on the same side as DT';
In the case of the embodiment shown in FIG. 2, there is no diffraction grating at least in the part S between them, so there is no problem of diffraction there, which is advantageous to that extent, and reduces the reduction in the intensity of the output light. It works well in that it doesn't cause problems, and the signal-to-noise ratio (S/N) continues to improve.

ここで実際の本出願人による作成例について述
べると、主として第2図に示される構成により、
d=0.8μm、S=75μm、入射光波長λ=0.6328μ
mとした場合、第一、第二物体o1,o2の間の距
離zが少し多めの範囲30〜70μm内で変化して
も、当該第一、第二物体間相対変位量を0.01μm
の精度で安定に測定することに成功した。
Here, we will discuss an actual example created by the present applicant, mainly due to the configuration shown in FIG.
d=0.8μm, S=75μm, incident light wavelength λ=0.6328μ
m, even if the distance z between the first and second objects o1 and o2 changes within a slightly larger range of 30 to 70 μm, the relative displacement between the first and second objects will be 0.01 μm.
We succeeded in making stable measurements with an accuracy of .

この値は極めて満足すべきものであり、先に少
し述べたようなX線リソグラフイ技術への応用も
十分に可能なものである。
This value is extremely satisfactory, and is sufficiently applicable to the X-ray lithography technology as briefly mentioned above.

ところで、上記においては、第一、第二の回折
格子Da,Dbのピツチdは共に同じとしてきたが、
第二回折格子Dbの格子定数dを第一回折格子乃
至第一、第二有効回折部分Da-1,Da-2の格子定
数dに対し、意図的に異ならせれば、出力光の出
射方向を入射光の方向とは異ならせることもでき
る。第3図はそのような実施例を示している。基
本構成は第1,2図示実施例におけると全く同様
であるが、簡単のため、第一、第二の物体の1,
o2、マスク手段MXや検出器DT,DT′等は省略
してある。
By the way, in the above, the pitch d of the first and second diffraction gratings D a and D b are both the same, but
If the lattice constant d of the second diffraction grating D b is intentionally made different from the lattice constant d of the first diffraction grating or the first and second effective diffraction parts D a-1 and D a-2 , the output light can be It is also possible to make the emission direction different from the direction of the incident light. FIG. 3 shows such an embodiment. The basic configuration is exactly the same as in the first and second illustrated embodiments, but for simplicity, the first and second objects are
o2, mask means MX, detectors DT, DT', etc. are omitted.

この実施例において、例えば第一の回折格子
Daの第一、第二有効回折部分Da-1,Da-2の格子
定数dは共に同じとしながらも、第二の回折格子
Dbの格子定数dをそれらとは異ならせると、第
一、第二の有効回折部分Da-1,Da-2に入射した
入射光Iiが当該各回折部分で例えば一次回折さ
れ、a -a +となつて第二の回折格子Dbに入射
し、そこで干渉し合つた後、さらに回折されて出
力される出力光Is,Is′は、図中に示される通り、
法線方向に対して特定の角度関係±αを置いたも
のにすることができる。
In this embodiment, e.g. the first diffraction grating
Although the lattice constants d of the first and second effective diffraction portions D a-1 and D a-2 of D a are the same, the second diffraction grating
When the lattice constant d of D b is made different from those, the incident light I i that entered the first and second effective diffraction parts D a-1 and D a-2 is diffracted, for example, in the first order by each of the diffraction parts, As shown in the figure, the output lights I s and I s ′, which are incident on the second diffraction grating D b as a - and a + and interfere with each other there , are further diffracted and output.
A specific angular relationship ±α with respect to the normal direction may be applied.

このようにすると、入射光Iiが出力光Is,Is′に
重畳してくる成分を当該出力光中から分離するこ
とができ、従つて、入射光Iiを全面照射する場合
には、先の実施例においては必要となることも考
えられたマスク手段MXを不要とすることができ
る。
In this way, the component that the incident light I i superimposes on the output lights I s and I s ' can be separated from the output light, and therefore, when the entire surface is irradiated with the incident light I i , , the masking means MX, which was thought to be necessary in the previous embodiments, can be omitted.

例えば本出願人の作成例について述べると、有
効回折部分Da-1,Da-2の格子周期dを0.8μm、格
子Dbの格子周期dを1.2μm、波長λを0.6328μm、
有効回折部分間距離Sを75μmとした結果、入射
光Iiを全面照射した場合でも、法線方向に対して
±α=15.3°の方向に、良好に分離された出力光
Is,Is′を得ることができた。ただし、本発明で
は、先に述べた理由により、検出の対象とする出
力光は第二回折格子により反射され、第一回折格
子の第一、第二有効回折部分の間の離間領域Sを
抜けてくる出力光Is′のみである。
For example, in the example created by the present applicant, the grating period d of the effective diffraction portions D a-1 and D a-2 is 0.8 μm, the grating period d of the grating D b is 1.2 μm, and the wavelength λ is 0.6328 μm.
As a result of setting the distance S between the effective diffraction parts to 75 μm, even when the entire surface is irradiated with the incident light I , the output light is well separated in the direction of ±α = 15.3° with respect to the normal direction.
I was able to obtain I s and I s ′. However, in the present invention, for the reason stated above, the output light to be detected is reflected by the second diffraction grating and passes through the separated region S between the first and second effective diffraction portions of the first diffraction grating. There is only the output light I s ' that comes.

なお、物体間距離が変動するにしても、小さい
範囲内でしか変動しないとか、あるいは外部測定
系においてこの入射光成分を除去可能であれば、
特に格子定数上の配慮は施さずとも、先に述べた
マスク手段は省略可能な場合もある。
Furthermore, even if the distance between objects changes, it only changes within a small range, or if this incident light component can be removed in an external measurement system,
The above-mentioned masking means may be omitted in some cases even if no particular consideration is given to the lattice constant.

ところで、上記してきた実施例は、いずれも面
内方向xにのみ沿う、一次元測定であつた。
Incidentally, all of the embodiments described above were one-dimensional measurements along only the in-plane direction x.

しかし、本発明の方法は、容易に面内二次元方
向の測定に拡張することができる。第4図はそう
した場合の概念図を示している。
However, the method of the present invention can be easily extended to in-plane two-dimensional measurements. Figure 4 shows a conceptual diagram of such a case.

この場合、図中、上方に示されている第一物体
o1には、x方向の相対変位測定のための一対の
有効回折部分Dax-1,Dax-2からなるx方向用回折
格子Daxと、これらに面内で直交する関係に、同
様に一対の有効回折部分Day-1,Day-2から成るy
方向相対変位測定用の回折格子Dayが設けられ、
第二物体o2にはx方向とy方向とに対して周期
性を有するように、結果としてグリツド上に形成
された回折格子Daが設けられている。各回折格
子の両有効回折部分Dax-1,Dax-2;Day-1,Day-2
の間の離間距離は、先に述べてきた距離Sに対応
する。
In this case, the first object shown above in the diagram
o1 includes an x-direction diffraction grating D ax consisting of a pair of effective diffraction parts D ax-1 and D ax-2 for measuring relative displacement in the x-direction, and a diffraction grating D ax that is orthogonal to these in the plane. y consisting of a pair of effective diffraction parts D ay-1 and D ay-2
A diffraction grating D ay for directional relative displacement measurement is provided,
The second object o2 is provided with a diffraction grating D a which is consequently formed on a grid so as to have periodicity in the x and y directions. Both effective diffraction parts of each diffraction grating D ax-1 , D ax-2 ; D ay-1 , D ay-2
The separation distance between them corresponds to the distance S mentioned above.

このような構成にすると、一方の有効回折部分
Dax-1,Dax-2と回折グリツドDdのx方向周期部分
との間、及び方向の有効回折部分Day-1,Day-2
回折グリツドDdのy方向周期部分との間で、そ
れぞれ独立にこれまで述べたきた回折波動のやり
とり関係が生じ、従つて出力光Is′の強度を測定
することにより、x,y両方向の相対変位量を測
定することができる。もちろん、x,y各方向に
関しての回折格子の構成の如何とかその他の実際
的な配慮は、先の実施例中に述べてきたことをこ
の実施例においてもそのまま援用することができ
る。
With this configuration, one effective diffraction part
between D ax-1 , D ax-2 and the periodic part in the x direction of the diffraction grid D d , and between the effective diffraction parts D ay-1 , D ay-2 in the direction and the periodic part in the y direction of the diffraction grid D d . The above-described exchange relationship of diffraction waves occurs independently between the two, and therefore, by measuring the intensity of the output light I s ', it is possible to measure the amount of relative displacement in both the x and y directions. Of course, other practical considerations such as the configuration of the diffraction grating in each of the x and y directions, which have been described in the previous embodiments, can be directly applied to this embodiment.

なお、物体に対して各回折格子を設ける位置は
特定されることがなく、第4図のような場合に
も、図中では説明の便宜のために中央に大きく設
けて示したが、大体において物体のヘリの部分に
でも設けて置けば良い。また、対象物体が、測定
に用いる波動乃至光に対して透明なものでない場
合には、当該回折格子の下の部分は透明乃至空間
にする等して、“通過窓”を形成すれば良い。
Note that the position where each diffraction grating is provided relative to the object is not specified, and even in the case of Fig. 4, it is shown as being large in the center for convenience of explanation, but in general, You can also place it on the edge of the object. Furthermore, if the target object is not transparent to the waves or light used for measurement, the portion under the diffraction grating may be made transparent or empty to form a "passing window."

しかし、一般には、本発明方法はX線リソグラ
フイにおける基板とマスクの位置合せ等、半導体
技術分野での微小変位量測定に高精度な測定方法
として好んで用いられることが予想され、従つて
そうした場合には、通常、相対変位を測定すべき
対象物体は透明なことが多いので、意図的に波動
の透過窓を形成する必要はないものと思われる。
また、既に述べたが、本発明で用いる可干渉性波
動は、図示実施例におけるコヒーレントな光に限
らず、音波やマイクロ・ウエーブ等の電磁波によ
つても得ることができる。
However, in general, it is expected that the method of the present invention will be preferred as a highly accurate measurement method for measuring minute displacements in the semiconductor technology field, such as alignment of substrates and masks in X-ray lithography, and therefore In this case, since the target object whose relative displacement is to be measured is often transparent, there is no need to intentionally form a wave transmission window.
Furthermore, as already mentioned, the coherent waves used in the present invention are not limited to the coherent light in the illustrated embodiment, but can also be obtained by electromagnetic waves such as sound waves and micro waves.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、極めて近接して重合した二つ
の物体間の重合方向の距離変化に依存する成分に
大きく影響されることなく、極めて微小な変位量
領域において物体間の面内相対変位量を高精度で
測定することができる。
According to the present invention, the in-plane relative displacement between two objects superimposed in extremely close proximity can be calculated in an extremely small displacement area without being greatly influenced by the component that depends on the distance change in the direction of superposition. Can be measured with high precision.

しかも、本発明方法を実施するに要する装置系
の構成は極めて簡単であり、設計自由度も原則と
して高く取ることができるし、光源や検出系は重
合構造の一方の外側にのみ設けられるので、十分
に実用的である。
Moreover, the configuration of the apparatus system required to carry out the method of the present invention is extremely simple, and the degree of freedom in design can be achieved in principle. It is practical enough.

こうしたことから、本発明の実現には殆ど何の
障害もない。
For these reasons, there are almost no obstacles to realizing the present invention.

特に、上記した実施例中にも見られるように、
0.01μmオーダでの分解能をも呈し得るから、半
導体電子回路技術やジヨゼフソン集積回路技術
等、将来的にサブ・ミクロン・オーダの作成精度
を要求される用途にも十分な余裕をもつて応える
ことができ、その実用価値は極めて高いものとな
る。
In particular, as seen in the examples above,
Since it can exhibit a resolution on the order of 0.01 μm, it has sufficient margin to meet future applications that require manufacturing accuracy on the order of sub-microns, such as semiconductor electronic circuit technology and Josefson integrated circuit technology. The practical value is extremely high.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図及び第2図は、それぞれ、本発明の相対
変位量測定装置の基本的実施例の説明図、第3図
は第一回折格子と第二回折格子とで格子定数を変
えた場合の本発明実施例の説明図、第4図は面内
二次元方向の相対変位量測定が可能な本発明実施
例の説明図、第5図は波動の回折、干渉現象を利
用し、近接した二物体間における相対変位量を測
定する従来法の説明図、である。 図中、o1,o2は物体、Da,Dbは回折格子、Dd
はx,y両方向に関して周期性のある溝を有する
グリツド状回折格子、Da-1,Da-2はそれぞれ有
効回折部分、Sは有効回折部分間の離間距離、Ii
は入射光、Is,Is′は出力光、θ,αは個々の回折
格子から出力された注目すべき特定かつ単一の回
折角、である。
FIGS. 1 and 2 are explanatory diagrams of a basic embodiment of the relative displacement measurement device of the present invention, and FIG. 3 is an illustration of a basic embodiment of the relative displacement measuring device of the present invention, and FIG. An explanatory diagram of an embodiment of the present invention. Figure 4 is an explanatory diagram of an embodiment of the present invention that can measure the amount of relative displacement in two-dimensional directions in a plane. FIG. 2 is an explanatory diagram of a conventional method for measuring the amount of relative displacement between objects. In the figure, o1 and o2 are objects, D a and D b are diffraction gratings, and D d
is a grid-like diffraction grating having periodic grooves in both x and y directions, D a-1 and D a-2 are effective diffraction areas, S is the separation distance between the effective diffraction areas, and I i
is the incident light, I s , I s ′ are the output lights, and θ, α are the particular and single diffraction angles of interest output from each grating.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 第一の回折格子に対し、その一面側から可干
渉性波動を照射した際、該第一の回折格子によつ
て回折されながら該第一の回折格子を他面側に抜
けた波動を、該波動が平面波となり切らない中に
到達する程、該他面に近接して重合した第二の回
折格子に対し、光学系を介することなく直接に入
射させ、該第二の回折格子により回折された波動
の強度を検出器により検出し、該検出される波動
の強度変化に基づき、上記第一の回折格子の設け
られている第一の物体と上記第二の回折格子の設
けられている第二の物体間の上記重合方向に直交
する面内方向相対変位量を測定する装置であつ
て; 上記第一の回折格子は、それぞれに上記可干渉
性波動が所定の幅に亙つて照射されるが、互いに
は上記面内方向に沿つて離間した第一、第二の有
効回折部分から構成されると共に; 上記第二の回折格子は上記第一の回折格子より
幅狭であつて、平面投影的に見て上記第一の回折
格子の上記第一、第二有効回折部分の間の離間領
域と重なる第二の物体上の領域部分の全部または
少なくともその面内方向中央を含む一部を占める
ように形成され; 上記波動強度の検出器は、上記第二の回折格子
により回折、反射された後、上記第一の回折格子
の上記第一、第二有効回折部分の間の上記離間領
域を抜けて出力されてくる波動を受信する位置に
設けられていること; を特徴とする相対変位量測定装置。 2 第一の回折格子の上記第一、第二有効回折部
分は、上記第一の物体上においてそれぞれ構造的
にも分離した独立の領域部分であること; を特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の相対
変位量測定装置。
[Claims] 1. When a first diffraction grating is irradiated with a coherent wave from one side, the first diffraction grating is diffracted by the first diffraction grating, and the first diffraction grating is irradiated with a coherent wave from the other side. The wave passing through the surface is made to directly enter the second diffraction grating, which is superimposed close to the other surface so that the wave does not become a plane wave, without going through an optical system. The intensity of the wave diffracted by the diffraction grating is detected by a detector, and based on the intensity change of the detected wave, the first object provided with the first diffraction grating and the second diffraction grating are detected. A device for measuring the amount of relative displacement in an in-plane direction orthogonal to the superimposition direction between second objects provided with; The second diffraction grating is narrower than the first diffraction grating. All or at least the center in the in-plane direction of the region on the second object that overlaps with the spaced region between the first and second effective diffraction portions of the first diffraction grating when viewed from a plane projection. after being diffracted and reflected by the second diffraction grating, the wave intensity detector occupies a portion including the first and second effective diffraction portions of the first diffraction grating. A relative displacement amount measuring device characterized in that it is provided at a position to receive waves outputted through the above-mentioned separated region between the two. 2. The first and second effective diffraction portions of the first diffraction grating are independent area portions that are structurally separated from each other on the first object. Relative displacement amount measuring device as described in section.
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